ИЗМЕРИТЕЛЬ СЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА
Радио, 1970, №1
Экспериментальный завод Академии коммунального хозяйства имени К. Д. Памфилова приступил к серийному выпуску транзисторных переносных приборов «ИСМ-М», предназначенных для определения наличия и расположения скрытой металлической арматуры в различных промышленных и бытовых сооружениях. Кроме того, эти приборы позволяют определять сечение металлических конструкций, находящихся под защитным слоем, и могут быть использованы для определения присутствия и глубины залегания металлических предметов в грунте. Чувствительность «ИСМ-М» находится в пределах глубин 40-60 см (в зависимости от массы предмета).
«ИСМ-М» рассчитан на эксплуатацию в полевых и лабораторных условиях прн температуре окружающей среды от +20° до +30° С и относительной влажности до 80%. Прибор питается от сухой гальванической батареи типа «Крона 1Л» (или «Крона 2»), которая обеспечивает его двадцатичасовую непрерывную работу. Вес «ИСМ-М» - около 2 кг, гарантийный срок - 1 год.
Рис. 1
Принцип работы прибора и его схема. Блок-схема «ИСМ-М» приведена на рис. 1. Прибор состоит из индуктивного выносного датчика, двух ВЧ генераторов, смесителя-ограничителя, интегрирующей цепи и магнитоэлектрического стрелочного индикатора.
В основу принципа работы металлоискателя положен метод сравнения частот двух генераторов с помощью транзисторного смесителя и определения разностной частоты, возникающей на его выходе при малейшем изменении параметров колебательного контура одного из генераторов. Полная принципиальная схема прибора приведена на рис. 2. Оба высокочастотных генератора, собранные на транзисторах Т1, и Т2 выполнены по схеме с ёмкостной обратной связью. В колебательный контур первого генератора входят катушки индуктивности L1-L3 и конденсаторы С1 и С6 (катушки L1 и L2 установлены на выносном датчике). Колебательный контур второго генератора состоит из катушки L4 и конденсаторов С7, С8, С10, С11. Через конденсатор С5 и катушку связи L5 ВЧ колебания из коллекторных цепей транзисторов Т1 и Т2 поступают на вход смесительного каскада, выполненного на транзисторе Т3. При воздействии этих колебаний на транзистор Т3 возникают колебания разностной частоты fразн = f1-f2, используемые в дальнейшем как полезный сигнал. Для предотвращения проникновения вместе с этим сигналом других комбинационных частот, имеющихся на выходе смесительного каскада, установлен заградительный фильтр, состоящий из катушки Л6 и конденсаторов С16, С18. С выхода смесителя сигнал разностной частоты поступает в каскад усилителя - первого ограничителя (транзистор Т4), где усиливается и формируется и далее во второй ограничитель (транзистор Т5).
Рис. 2.
С выхода второго ограничителя импульсы прямоугольной формы поступают на интегрирующую цепь (диоды Д1, Д2. конденсатор С20, резисторы R15, R16) и далее на индикатор, которым является микроамперметр постоянного тока 0-100 мкА. При появлении на выходе транзистора Т5 импульсного напряжения конденсатор С20 будет заряжаться через цепь R16 - Д1 - микроамперметр и разряжаться через диод Д2 и внутреннее сопротивление транзистора Т5. При этом отклонение стрелки микроамперметра будет всегда прямо пропорционально частоте повторении импульсов, так как постоянная составляющая зарядного тока будет увеличиваться вместе с частотой импульсов.
Рис. 3.
Конструкция и детали. Общий вид прибора показан на рис. 3. Он размещён в металлическом корпусе размерами 184x124x95 мм с откидной крышкой, в которой размещён выносной щуп с соединительным кабелем. Лицевая панель прибора размерами 180x120 мм, на которой находятся микроамперметр, подстроечные конденсаторы С7, С8 и тумблер Вк1 включения питания, сделана из дюралюминия толщиной 2 мм.
К лицевой панели на некотором расстоянии от неё прикреплена печатная плата размером 150x105 мм из фольгированного гетинакса толщиной 1,5 мм. На ней размещены остальные детали прибора. Расположение их показано на рис. 4, а чертёж печатной платы дан на рис. 5.
Рис. 4.
Катушки L3 и L6 намотаны на ферритовых кольцах (феррит 400НН1 типоразмер К20х10х5) и содержат по 200 витков провода ПЭВ-1 0,25. Катушки L7 и L5 расположены в броневом сердечнике СБ-23-11а (СБ-2а), L4 содержит 300 витков провода ПЭВ-2 0,2 с отводом от 200 витка, а L5-3 витка того же провода. Последняя катушка намотана поверх L4. Подстроечные конденсаторы С7 и С8 с воздушным диэлектриком.
Рис. 5.
Катушки выносного датчика L1 и L2 содержат по 189 витков провода ПЭЛШО 0,38. Они намотаны на ферритовом сердечнике размером 106x34x15 мм (рис. 6), который собран на двух П-образных ферритовых сердечников, применяемых в телевизионных строчных трансформаторах типа ТВС-А и ТВС-Б. У этих сердечников аккуратно откалывают по одному выступу так, чтобы получить Г-образные заготовки (см. рис. 6). Затем зачищают места откола мелкозернистым абразивным камнем и склеивают заготовки полистироловым клеем или клеем БФ-4 так, чтобы получился удлинённый П-образный сердечник. Чтобы склеивание было надёжным, заготовки, склеенные полистироловым клеем, сушат при температуре 20+-5°С в течение двух часов, а клеем БФ-4 - шесть часов или же при температуре 60- 70°С соответственно один или два часа. Катушки L1 и L2 наматывают на выступах П-образного сердечника и концы их соединяют параллельно (см. рис. 6). С помощью отрезка коаксиального кабеля РК-50-11 (РК-119) длиной три метра катушки L1 и L2 подключают к первому ВЧ генератору. Датчик заключён в защитный пластмассовый корпус и снабжён рукояткой. Общий вид и основные размеры датчика приведены на рис. 7.
Рис. 6.
Налаживание. Убедившись в полном соответствии монтажа прибора принципиальной схеме, переходят к его налаживанию. Последовательно с диодом Д3 включают миллиамперметр постоянного тока на 25-50 мА так, чтобы его минус был соединён с диодом, а плюс с шасси прибора, замыкают тумблер Вк1 и измеряют ток стабилизации. Он не должен превышать 5-7 мА, в противном случае следует несколько увеличить сопротивление резистора R17. Напряжение стабилизации у диодов КС139А находится в пределах 3,5- 4,3 в. Далее проверяют соответствие постоянных напряжений на электродах транзисторов Т1-Т5 указанные в таблице. При обнаружении отклонений свыше 10-15% подбирают резисторы в цепях питания транзисторов, помеченные звёздочками на принципиальной схеме.
Рис. 7.
Дальнейшую настройку прибора удобнее всего произвести с помощью осциллографа (например С1-3 или С1-1) и широкополосного сигнал-генератора, обеспечивающего возможность получения частот от 20 Гц до 200 кГц (например, Г3-33). Для контроля напряжений можно воспользоваться каким-либо электронным вольтметром (ВК7-9) или другим аналогичным.
Убедившись с помощью осциллографа в наличии ВЧ колебаний в выходных цепях транзисторов Т1 и Т2, настраивают оба генератора на частоту 110 кГц. Установив её на генераторе сигналов, подают с него напряжение порядка 500-600 мв на горизонтальный вход осциллографа (вход «X»). Вертикальный вход (вход «Y») осциллографа подключают параллельно резистору R4. Заметим, что собственная ёмкость входа «Y» у большинства осциллографов имеет довольно значительную величину (порядка 30-50 пф). Поэтому во время настройки обоих генераторов не следует присоединять этот вход к коллекторным цепям транзисторов Т1 и Т2 во избежание значительного ухода частоты у настраиваемых генераторов.
Частоту, которую генерирует первый ВЧ генератор, измеряют по фигурам Лиссажу, наблюдаемым на экране осциллографа при сравнении частот эталонного и настраиваемого генераторов. Постепенно изменяя частоту эталонного генератора стараются получить одну из наиболее простых неподвижных фигур Лиссажу (например, круг или восьмёрку). Круг или овал, видный на экране электроннолучевой трубки осциллографа, указывает, что частоты эталонного и настраиваемого генераторов относятся друг к другу как 1:1, а восьмёрка - как 1:2.
Определив частоту первого ВЧ генератора, настраивают его колебательный контур на частоту 110 кГц путём подбора ёмкости конденсатора С1. Затем, подключив вход «Y» осциллографа к резистору R7, точно так же настраивают второй ВЧ генератор на частоту 110 кГц, подбирая ёмкость конденсатора С1. Перед началом настройки этого генератора следует установить роторы подстроечных конденсаторов С7 и С8 в среднее положение и на одну четверть длины вывернуть подстроечный сердечник катушек L4L5.
| Обозначение по схеме | Электрод | Постоянное напряжение | Переменное напряжение |
| Т1 | коллектор | -3,4 | 2,5 |
| эмиттер | -0,22 | 0,2 | |
| база | -0,08 | - | |
| Т2. | коллектор | -3,4 | 2,5 |
| эмиттер | -0,25 | 0,2 | |
| база | -0,11 | - | |
| Т3 | коллектор | -2,8 | - |
| эмиттер | -0,05 | - | |
| база | -0,03 | - | |
| Т4 | коллектор | -0,3 | 0,3 |
| база | -0,16 | 0,06 | |
| Т5 | коллектор | -2,4 | 2,1 |
| база | -0,3 | 0,3 | |
| Д2 | - | 2,1 |
Напряжения измерены электронным вольтметром типа ВК7-9 относительно шасси.
По окончании регулировки обоих генераторов следует проверить соответствие величин переменных напряжений на электродах транзисторов Т1 - Т5 с данными, приведёнными в таблице. Затем временно отсоединяют конденсатор С15 от базы транзистора Т3 и подают на неё через конденсатор ёмкостью 0,25-0,5 мкф напряжение от звукового генератора, настроенного на частоту 500 Гц, плавно изменяя его в пределах от 10 до 100 мВ. При нормальной работе обоих ограничительных каскадов такие изменения сигнала на базе транзистора Т3 не должны отражаться на величине напряжения в выходной цепи транзистора Т5. Формы переменных напряжений на электродах транзисторов прибора показаны на принципиальной схеме.
Установив с помощью переменного резистора R15 стрелку микроамперметра на крайнее правое деление шкалы, проверяют линейность показаний индикатора во всем диапазоне рабочих частот. Для этого перестраивают звуковой генератор, постепенно уменьшая частоту его колебаний от 500 до 50 Гц. Если показания микроамперметра при этом будут также пропорционально снижаться, то шкала индикатора сохраняет линейность на всем диапазоне указанных частот. В противном случае следует тщательно подобрать диоды Д1 и Д2.
После окончания налаживания ограничителей присоединяют конденсатор С15 к базе транзистора Т3 и установив датчик прибора так, чтобы поблизости от него не было каких-либо металлических предметов, проверяют, устанавливается ли индикатор на нуль, вращая роторы подстроечных конденсаторов С8 и С7 (ручки «установка нуля грубо» и «установка нуля точно»). Если установить стрелку микроамперметра на нуль не удаётся (например, из-за значительного рассогласования частот обоих ВЧ генераторов), производят дополнительную подстройку колебательного контура второго ВЧ генератора с помощью подстроечного сердечника кадушек L4L5. добиваясь получения нулевых биений частот обоих ВЧ генераторов на выходе смесителя. После этого с помощью конденсатора С7 («установка нуля точно») выводят стрелку индикатора на 20-е деление шкалы и делают на ней соответствующую отметку, которая будет являться рабочим нулём прибора. Такая установка вызвана необходимостью предотвратить возможность ошибок при работе с прибором из-за возможного отсутствия показании в начальной части шкалы индикатора при поступлении на вход усилителя-ограничителя частот ниже 50 Гц. Практика показала, что в данном варианте металлоискателя, расширение полосы пропускания усилителя-ограничителя в сторону низких частот нерационально, так как схема прибора неоправданно усложняется, а его размеры увеличиваются.
Поднося датчик к какому-либо металлическому предмету, убеждаются в достаточной чувствительности прибора, и при необходимости дополнительно составляют таблицы или графики, позволяющие более оперативно использовать прибор в различных практических случаях. Так, например, к приборам «ИСМ-М», выпускаемым экспериментальным заводом АКХ, прилагается специальная таблица, позволяющая определять номера скрытых двутавровых балок.
Работа с прибором. Перед началом работы, сняв крышку прибора, извлекают из неё выносной щуп и, включив питание, ручкой «установка нуля точно» устанавливают стрелку индикатора на 20-е деление шкалы. Проконтролировать, правильно ли работает прибор, можно, поднеся датчик к внешней стороне крышки и прижимая датчик к её средине. Стрелка микроамперметра при этом должна установиться между 30-м и 40-м делениями шкалы.
Для определения наличия металлических предметов датчик подносят к исследуемому объекту и постепенно перемещают его в двух взаимно перпендикулярных направлениях, одновременно наблюдая за показаниями индикатора прибора. Убедившись по резкому изменению показаний индикатора, что предметы имеются, приступают к уточнению расположения их в исследуемом объекте. Совершая небольшие возвратно-поступательные движения датчиком, добиваются максимального отклонения стрелки индикатора и отмечают это место на покрытии.
Инж. Г. МАТУСЕВИЧ